Escoamento viscoso em condutos

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  • Publicado : 8 de abril de 2012
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ESCOAMENTO VISCOSO EM CONDUTOS
O transporte de um fluido (líquido ou gás) num conduto fechado (que é habitualmente chamado de tubo se sua seção transversal é circular e duto se a seção for não circular) é extremamente importante.
Exemplos: oleoduto que transporta óleo cru por quase 1290 km através do Alasca; transporte de sangue no nosso corpo; ar para dentro e para fora dos nossos pulmões;tubulação de água residencial.
Os componentes básicos de uma tubulação típica são apresentados na Figura 1 abaixo. Alguns componentes importantes das tubulações são: os tubos (que podem apresentar vários diâmetros), as várias conexões utilizadas para conectar os tubos e, assim formar o sistema desejado, os dispositivos de controle de vazão (válvulas) e a bombas ou turbinas (que adicionam ou retiramenergia do fluido). Note que o escoamento num sistema de tubos simples é realmente muito complexo se o descrevermos a partir de considerações rigorosas. Iremos analisar, de modo exato, o caso mais simples que é o escoamento laminar em tubos longos, lisos e com diâmetro constante.

Figura 1 – Componentes básicos de tubulações.
Serão apresentados alguns conceitos básicos relacionados aosescoamentos em tubos e dutos antes de aplicarmos as equações fundamentais a estes escoamentos. Deste modo, nós estabeleceremos algumas regras básicas que nos permitirão formular e resolver, com segurança, vários escoamentos importantes.

Figura 2 – (a) Escoamento em tubos; (b) escoamento em canais.

CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS ESCOAMENTOS EM CONDUTOS
A grande maioria dos condutos utilizados paratransportar fluidos apresenta seção transversal circular. São projetados para suportar uma diferença de pressão considerável. Normalmente as tubulações de água, mangueiras hidráulicas e outros condutos. De outro lado, os condutos utilizados nos sistemas para o condicionamento de ambientes são condutos que apresentam seções transversais retangulares. A maioria dos princípios básicos que descrevem osescoamentos são independentes da forma da seção transversal. Sempre admitiremos que a seção transversal dos condutos é circular. Admitiremos que o conduto está totalmente preenchido com fluido em todos os casos. O principal mecanismo que promove o escoamento é o gradiente de pressão ao longo do conduto.

ESCOAMENTO LAMINAR E TURBULENTO
O escoamento de um fluido num conduto pode ser laminar outurbulento. Osborne Reynolds (1842-1912), cientista e matemático britânico, foi o primeiro a distinguir a diferença entre este dois tipos de escoamentos utilizando um aparato simples
(Figura 3a). Admita que a água escoa num tubo, que apresenta diâmetro D, com uma velocidade média V. Nós podemos observar as seguintes características se injetarmos um líquido colorido, que apresenta massa específicaigual a da água no escoamento.
A Figura 3b ilustra as características e os escoamentos correspondentes denominados de escoamento laminar, de transição e turbulento.
O parâmetro mais importante nos escoamentos em condutos é o número de Reynolds, Re – a razão entre os efeitos de inércia e viscosos no escoamento. Assim, quando falamos em vazão pequena ou vazão grande, podemos também falar em númerode Reynolds pequeno (laminar) ou número de Reynolds grande (turbulento). O número de Reynolds é definido como Re=(VD/µ), onde V é a velocidade média do fluido no tubo. Não é somente a velocidade do fluido que determina a caracterização do escoamento - sua massa específica, viscosidade e tamanho do tubo tem igual importância. O número de Reynolds é um número adimensional.

Figura 3 – (a)Experimento utilizado para caracterizar o escoamento em tubos. (b) Filetes de tinta típicos.

Não é possível definir precisamente as faixas de números de Reynolds que indicam se o escoamento é laminar, de transição ou turbulento. A transição real de escoamento laminar para turbulento pode acontecer em vários números de Reynolds pois a transição depende de quanto o escoamento está perturbado por...
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